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Zweitaktbrennkraftmaschine mit kolbengesteuerten Spül- und Auslaßschlitzen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweitaktbrennkraftmaschine mit kolbengesteuerten
Spül- und Au,slaßschlitzen und einem zusätzlichen im Zylinder angegeordneten Spül-
und, Ladeventil, durch welches in Abhängigkeit von der Belastung der Maschine zusätzliche
Spülduft unter Überdruck in denn Zylinder gelangt.
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Bekanntlich steht bei Zweitaktmotoren, die mit hoher Drehzahl laufen,
für das Entfernen der Abgase mittels eines Spülluftstromes aus dem Zylinderraum
nur eine sehr kurze Zeitspanne zur Verfügung. Dabei muß sich der Ladungswechsel
so vollziehen, d'aß sich der Spülluftstrom nicht in regellose Wirbel auflöst, durch
die ein Spülvorgang mehr oder weniger unwirksam gemacht würde. In den meisten Fällen
erfolgt die Steuerung des Spülluftstromes im Zylinder durch den Arbeitskolben selbst,
wobei in der Zylinderwandung die Spül- und Auspuffschlitze vorgesehen sind. Hieraus
ergibt sich ein baulich. sehr einfacher Aufbau, andererseits bleiben aber die erreichbaren
mittleren ArbeitsdTücke niedriger als dies wünschenswert ist, zumal auch der Brennstoffverbrauch
vom mittleren Arbeitsdruck abhängig ist. Dabei ist jedoch der Luftverbrauch,
d. h. das Verhältnis von aufgewendeter Spülluft - in Litern - zum Hubvolumen
verhältnismäßig hoch.
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Eine andere Schwierigkeit bei schnell laufenden Zweitaktmotoren besteht
in der thermischen Beanspruchung des Kolbens, durch die der Belastbarkeit des Motors
Grenzen gesetzt sind.. Die wirksame Kühlung des Kolbens durch einen entsprechend
großen Luftaufwand geli'n'gt infolge der meist vorliegenden besonderen Verhältnisse
der Luftführung nicht oder nvr in unvollkommenem Maße. Gerade bei den vom Arbeitskolben
gesteuerten Zweitaktmotoren überwiegen meistens die vom ausströmenden Abgas an den
Kolben herangeführten Wärmemengen. Auch durch die Maßnahme, das Gewicht der Frischluft
durch eine Temperaturerhöhung derselben zu vermindern, kann die normalerweise vorhandene
Spülluft nur in bescheidenem Ausmaß als Kühlmittel herangezogen werden.
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Um die bei Zweitaktmotoren bestehenden Verhältnisse- zu verbessern,
ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Steuerung der Ladung durch den Arbeitskolben
und en Ventil zu bewirken, wobei das letztere im Arbeitstakt der Maschine später
geöffnet wird, als die Freigabe der vom Kolben gesteuerten öffnung erfolgt, und
dann während einer veränderlichen Zeit offen gehalten wird'. Dieses Ventil soll
sowohl dazu dienen, den zweiten Teil der Ladung, durch den eine Fsgwirkung erzeugt
werden soll, in den Zylinder einzuleiten, als auch dazu, daß je nach der Belastung
des Motors der überflüssige Teil der Ladung vom Kolben durch das geöffnete Ventil
zurückgedrückt werden kann. Eine solche Anordnung ermöglicht es zwar, die in dien
Zylinder einzubringende Ladung in zwei Teilströme zu zerlegen, von denen der eine
Teil durch die Spülschlitze und der zweite Teil durch das Ventil in den Zylinder
eingeführt wird, so daß die Motorleistung leichter den jeweils gegebenen Verhältnissen
angepaßt werden kann., jedoch läßt sich eine Leistungssteigerung des Motors mit
dieser Einrichtung nicht erzielen.
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Um den insbesondere durch die beim Zweitaktmotor gegebenen Strömungsverhältnisse
bedingten Nachteil, daß sich die verbrannten Gase mit dem frischen Gas-Luft-Gemisch
vermischen, zu vermeiden, ist auch bereits bei einem solchen Motor mit Vorverd:ichtung
im Kurbelgehäuse ein gesteuertes, stehend angeordnetes Ventil vorgesehen worden,
durch welches das Gas-Luft-Gemisch in den Zylinder einsgebracht wird, während ein
weiterer Luftstrom durch einen in der Zyli.nderwandiung angeordneten kolbengesteuerten
Einlaßschlitz dem Zylinder zugeführt wird. Bei diesem Motor ist eine Aufladung jedoch
nicht vorgesehen, und eine Anpassung des Verhältnisses des frischen Gas-Luft-Gemis:ches
an die jeweiligen Belastungsgrade des Motors ist nicht möglich.
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Zur Vermeidung vom Ladungsverlusten, die bei der bekannten Schlitzspülung
bei symmetrischen Steuerzeiten entstehen, ist schließlich bereits vorgeschlagen
worden, die Steuerzeiten so zu verändern, daß der Abschluß des Auslasses kurz vor
oder nach dem Schließer des Einlasses, stattfindet, so daß die Verdichtung bei einem
Druck beginnt, dar höher ist als bei der normalen Spülung, wodurch, der Motor leistungsstärker
wird. Dabei dient die Anordnung der Gaswechselorgane dazu, daß der Druck im Zylinder
ungefähr die
Höhe des Ladedruckes erreicht. Die dadurch erzielbare
Steigerung des mittleren Arbeitsdruckes steht in bekannter Beziehung zum Frischluftgewicht
und daher auch zum Druck im Zylinder nach dem Schließen der Gaswechselo rgane. Mit
der Höhe des Ladedruckes und: der veränderlichen Drehzahl ändert sich .der Luftaufwand
in einer Weise, :die nicht immer über den ganzen Leistungsbereich zu beherrschen
ist. Damit ändern sich aber auch die davon abhängigen Charakteristiken des Motors.
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Hier setzt die Erfindung ein, die eine erhebliche Verbesserung der
Gaswecbselvorgänge in Zweitaktmotoren, insbesondere Zweitaktdieselmotoren, mit sich
bringt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Zusatzluft dem Zylinder nur
im oberen Belastungsbereich durch ein dem die gesamte Spülluftmenge des Motors aufbringenden
Gebläse als zweite Druckstufe nachgeschaltetes Hilfsgebläse mit gegenüber der. durch
den kolbengesteuerten Spülsehlitz eingeführten Spülluft erhöhtem Druck zugeführt
wird. Hierbei wird vorteilhaft die Menge der Zusatzspülluft abhängig von der Mange
des je Arbeitshub eingespritzen Brennstoffes bemessen. Dies kann auf einfache Weise
durch ein zusätzliches im: Zylinderkopf angeordnetes und in bekannter Weise m:it
einem Schirm versehenes Spül-und Ladeventil erreicht werden, -#velc'hes@ den Zylinderraum
über eine Zusatzleitung mit dem Gebläse verbindet, wobei dessen Öffnungsbeginn und
bzw. oder dessen Hub abhängig von der Menge des je Arbeitshub eingespritzten Brennstoffes
selbsttätig verändert wir:,'. Aus dieser Anordnung ergibt sich eine Verbesserung
dies Spülwirkungsgrades dadurch, daß beim Einströmen eines zusätzlichen Spülluftstromes
durch das Ventil die noch vom vorhergehenden Arbeitshub im Zylinder befindlichen
Restgase wirkungsvoller entfernt werden. Insbesondere bei Verwendhmg der an sich
bekannten, mit einer Abschirmung versehenen Ventile bildet sich eine schraubenförmig
nach abwärts gerichtete Luftströmung aus, die das Ausspülen besonders wirksam unterstützt
und durch die anschließend verbleibende Restbewegung die Verbrennung beschleunigt.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, draß der nach abwärts gerichtete
Zusatzluftstrom auf den Kolbenboden auftrifft und so zu dessen Kühlung beiträgt.
Das öffnendes Ventils, d. h. der Einlaß .des Zusatzluftstromes beginnt vor dem Öffnen
der kolbengesteuerten Spülschlitze, und der Abschluß erfolgt nach Schließen der
ebenfalls kolbengesteuerten Auslaßschlitze.
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Die Steuerung dieses zusätzlichen Spül- und Ladeventils erfolgt vorzugsweise
auf elektromagnetischem Wege im Arbeitstakt des Motors. Dabei ist die Steuereinrichtung
in der Art von der Stellung der Regelstange der Brennstoffpumpe abhängig, daß bei
kleinen eingespritzten Brennstoffmengen, also bei geringen mittleren Drücken im
Zylinder, das Ventil geschlossen bleibt, der Motor demnach als, normaler Zweitaktmotor
mit symmetrischer Schlitzspülung arbeitet. Erst bei größeren Mitteldrücken im Zylinder,
beispielsweise in :der oberen Hälfte oder im oberen Drittel des Arbeitsbereiches,
wird entsprechend der Stellung der Brennstoffpumpenregelstange das Zusatzventil
elektromagnetisch geöffnet und eine dem Balstungsgrad des Motors entsprechende Zusatzspülluftmenge
in den Zylinder gedrückt. Die elektromagnetische Steuereinrichtung kann so eingestellt
werden, daß sowohl der Ventilhub als auch der Zeitpunkt des Ventilanhebens in Abhängigkeit
von der Regelstangenstellung der Brennstoffpumpe geregelt wird, während der Schließzeitpunkt
des Ventils unverändert bleibt. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, daß die Abgase
bei kleineren Belastungsgraden nicht unnötig abgekühlt werden, was einerseits mit
Rücksicht auf denen weirtere Verwendung in Abgasturbinen vorteilhaft ist und andererseits
ermöglicht, nur die 'tatsächlich erforderliche Zusatzspülluftmenge aufzuwenden.
Die elektromagnetische Steuerung des Ventils bringt den. Vorteil, :daß nur kleine
Massen bewegt werden müssen, und ermöglicht ferner eine einfache Verstellung :der
Ventilhübe und Steuerzeiten.
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Vorteilhaft kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwischen
den beiden Gebläsedruckstufen noch ein Absperrventil angeordnet sein, das ebenfalls
von der Regelstange der Brennstoffpumpe betätigt wird. Dabei erfolgt die Öffnung
dieses Absperrventils und damit die Abzweigung von der niederen zur höheren Gebläsestufe
auch erst im. oberen Belastungsbereich, und zwar bei mittleren Arbeitsdrücken im
Zylinder, die höher als 3,5 kg/cm2 sind.
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Inder Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindüngsgegenstandes:
dargestellt, und zwar zeigt Fing. 1 schematisch eine Anordnung der Gaswec'hselorgane
im Zylinder und Fi:g. 2 und 3 schematisch Ausführungen von Zweitaktmotoren mit verschiedenem
Gebläseantrieb.
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Die Fing. 1 zeigt den Zylinder 1, in dem die üblichen Auslaßschlitze
2 und Einlaßschl.itze 3 vorgesehen sind, die in bekannter Weise von dem Kolben 4
gesteuert werden. Im Zylinderdeckel 5 ist ein zusätzliches Spül-und Ladeventil 6
vorgesehen, das mit einem Schirm 7 ausgestattet ist, durch den der zusätzlich einstörnenden
Spül- und Ladeluft, die im oberen Lastbereich dem Zylinder 1 zugeführt wird, eine
gewisse tangentiale Eintrittsbewegung in der bekannten Art erteilt werden kann.
Das Spül- und Ladeventil 6 wird .durch eine elektromagnetische Hubeinrichtung 8
im Maschinentakt angehoben. Diese Hubeinrichtung 8 wird durch eine über eine Verbindungsstange
10 mit der nicht dargestellten Brennstoffpumpe. verbundenen Regeleinrichtung
9 -derart gesteuert, daß sowohl Hub als auch Beginn der Öffnung des Ventils
6 von der Stellung der Regelstange der Brennstoffpumpe abhängig sind.
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Die Fig. 2 zeigt eine Gesamtanordnung der Anlage, bei der das große
Gebläse il die .gesamte erforderliche Spülluft liefert. Die im normalen Betrieb
benötigte Spülluft wird vor einem Absperrventil 12 über die Leitung 13: durch den
Kühler 14 zur Sammelleitung 15 geführt und von hier aus auf die einzelnen Zylinder
des Motors. 16 verteilt. Der Zusatzspülluftstrom wird beim Öffnen des Absperrventils
12 abgenveigt und einem Hilfsgebläse 17 zugeleitet, -wo, er weiter verdichtet wird:.
Von dem Gebläse 17 führt die Zusatzspülluftleitu.ng 18 ebenfalls über den Kühler
14 zu der Sammelleitung 19, von der der Zusatzspülluftstrom auf die Zusatzspül-
und Ladeventile 6 verteilt wird:.
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Die in der Fig. 3 dargestellte Anlage ist mit einer Abgasturbine 21
ausgerüstet, die über die Leitung 20 mit den Auspuffschlitzen des Motors
16 verbunden ist. Die durch die Abgase beaufschlagte Abgasturbine 21 treibt
ein Hauptturbogebläse 11 an, auf dessen Welle ebenfalls ein Hilfsgebläse 17 für
die Beschaffung höher verdichteter Zusatzspülluft angeordnet ist. Von dem Hauptturbogebläse
11 führt die Leitung 13 durch einen Kühler 22 zu der Sammelleitung 23, die die normal
benötigte Spülluft auf die Zylinder des Motors 16 verteilt. Von dem Hilfsgebläse
17 führt eine Leitung 18 über den Kühler 22 zu der Sammelleitung 24, die den Zusatzspül-
und Ladeluftstrom über die Zusatzventile 6 auf die einzelnen Zylinder verteilt.